10.3. АВАРИЙНЫЕ СИТУАЦИИ НА УЧАСТКЕ ВЫВЕДЕНИЯ

Анализ аварийных ситуаций является исходным моментом всех работ по безопасности, а его результаты во многом определяют последующие технические решения при разработке аварийно-восстановительных и аварийно-спасательных средств. При анализе аварийных ситуаций рассматривают их распределение по месту возникновения (по бортовым и наземным системам) и по времени появления, определяют причины и вероятность их появления, характер развития по времени, последствия и значимость для последующего полета.

Среди аварийных ситуаций, вероятность появления которых наиболее высока, следует выделить ситуации, вызванные отказами бортовых систем РН и КК, а также наземных систем стартовой позиции. Подобные аварийные ситуации, как правило, подлежат наиболее тщательному анализу. Как показывают результаты летных испытаний ракетно-космической техники, отказы распределяются по системам неравномерно: наибольшая вероятность появления отказов - в бортовых системах РН, меньшая - в системах КК, еще меньшая - в наземных системах. Это объясняется тем, что на участке выведения бортовые системы КК работают в основном в дежурном (менее напряженном по сравнению с рабочим) режиме, а в наземных системах значительно легче обеспечить высокую надежность и своевременный контроль.

При исследовании аварийных ситуаций на РН в основном используют результаты анализа экспериментальных данных по авариям, имевшим место в процессе испытаний и проведения пусков аналогов и прототипов, при этом анализируют также отказы и ошибки, которые в иных условиях могли бы привести к аварии (т. е. потенциально опасные отказы).

При анализе аварийного запуска его классифицируют по ряду характерных признаков, позволяющих выявить основные особенности возникновения и развития аварийной ситуации. Рассмотрим некоторые особенности аварийных ситуаций РН, определенные mi экспериментальным данным.

Наиболее высока вероятность возникновения аварий в ранний период эксплуатации, когда еще не устранены полностью различного рода недочеты в разработке, изготовлении и эксплуатации данной РН. Обычно этот период совпадает с летно-конструкторскими испытаниями, по завершению которых РН должна достигнуть запроектированного уровня надежности.

Так как состав работающих систем, характер их работы и условия полета различны по времени полета, распределение аварий по времени подготовки и прохождения участка выведения довольно неравномерно. Для РН аварийные ситуации, как правило, наиболее вероятны на участках старта, разделения ступеней, запуска ДУ и полета в плотных слоях атмосферы, т. е. на участках работы бортовыx систем в переходных режимах и действия больших внешних нагрузок.

На основе анализа распределения аварийных ситуаций по системам РН и по причинам их возникновения определяют те составные элементы РН, которые должны наиболее тщательно контролироваться во время подготовки и полета. Так, высокая сложность ДУ и систем управления приводит к большей вероятности возникновения отказов в них для многих типов РН.

Наиболее вероятными причинами отказов могут быть следующие:

ненормальная работа автоматики (клапанов) ДУ;

прогары и разрушения основных и рулевых камер сгорания и камер сгорания газогенераторов ДУ;

отказы и поломки турбонасосных агрегатов ДУ;

отказы в системах опорожнения баков, негерметичность топливных и газовых магистралей;

ложные команды или отсутствие заданных команд системы управления;

отказы основных приборов системы управления (гироскопов, БЦВМ, программно-временных устройств и т. д.);

ошибки заправки, настройки ДУ и системы управления;

повышенные вибрации конструкции и приборов.

Для определения требований к быстродействию средств аварийного спасения проводят анализ аварий по характеру протекания, при этом выделяют следующие типы аварийных ситуаций;

внезапный отказ, аварийная ситуация протекает быстро и катастрофично (разрушение, взрыв, пожар);

внезапный отказ, аварийная ситуация протекает хотя и быстро, но некатастрофично;

внезапный отказ, аварийная ситуация протекает медленно и без опасных последствий;

постепенный отказ, аварийная ситуация протекает медленно и без опасных последствий.

Анализ по всей совокупности признаков позволяет выявить некоторые типичные особенности аварийных ситуаций РН:

аварии, возникающие в процессе запуска ДУ I ступени, при которых возможен невыход РН из стартовой системы, приводят к взрывам и пожарам (катастрофическое развитие);

аварийные ситуации, связанные с серьезными отказами ДУ, сопровождаются, как правило, разрушениями конструкции (протекают катастрофично);

аварийные ситуации на атмосферном участке полета, особенно в зоне высоких скоростных напоров, часто развиваются быстро и катастрофично;

аварийные ситуации на внеатмосферном участке даже при быстром развитии не имеют катастрофических последствий.

Остановимся на некоторых явлениях, сопровождающих катастрофическое развитие аварийной ситуации на РН. При разрушениях ее конструкции происходит утечка компонентов жидкого топлива, их смешение, а затем взрыв. При взрыве компонентов жидкого топлива безопасное расстояние определяется с учетом давления во фронте ударной волны, теплового излучения огненного шара и поражения разлетающимися осколками.

При определении характеристик взрыва компонентов жидкого топлива наибольшее распространение имеет метод тринитротолуолового (ТНТ) эквивалента, при котором воздействие взрыва оценивается по воздействию взрыва заряда ТНТ, эквивалентного по массе части общего количества топлива, участвующего в детонации. Недостатком использования этого метода является различие процессов детонации и импульсов ударных волн при взрывах ТНТ и жидкого топлива, поскольку начальная скорость детонации, а следовательно, и начальная скорость расширения огненного шара при взрыве ТНТ выше, чем при взрыве жидких топлив. Однако особенности, присущие процессу взрыва жидких топлив, характерны только для начального участка расширения огненного шара и исчезают после прохождения ударной волной некоторого расстояния. Поэтому при расчетах на больших расстояниях от эпицентра метод ТНТ эквивалента можно применять с достаточной точностью. При расчете взрыва РН необходимо определить долю топлива, участвующую в детонации, которая зависит от общего количества- топлива, конструктивных особенностей РКС и характера разрушения, приводящего к взрыву. Достаточно точный учет всех этих факторов практически невозможен, поэтому коэффициент, определяющий эту долю, задается приближенно на основании данных по экспериментальным взрывам и по взрывам РН-аналогов. Однако, учитывая, что величина безопасного расстояния зависит от суммарной энергии взрыва в степени 1/3, метод ТНТ эквивалента достаточно надежен при определении безопасного расстояния.

При определении безопасного расстояния, используя методику расчета точечного сферического взрыва, находят такое расстояние от места взрыва, где избыточное давление во фронте ударной волны оказывается меньше давления, выдерживаемого конструкцией спасаемого отсека, его средствами спасения или человеком (в случае применения катапультируемых кресел). При взрыве жидких топлив образуется огненный шар и выделяется большое количество тепловой энергии, которое также необходимо учитывать при определении безопасного расстояния.

При определении безопасного расстояния от огненного шара проводят расчет нагрева спасаемых элементов от излучения, при этом тепловое воздействие могут испытывать элементы конструкции спасаемого КК, отсека или катапультируемого кресла (особое внимание обращается на нагрев пиромеханизмов и двигателей), парашютная система на участке спуска и космонавт в скафандре или в защитном костюме (в случае катапультирования).

Разлетающиеся обломки при взрыве из всех трех факторов имеют наибольшее расстояние опасного поражения. Данные по разлету обломков при взрывах РН свидетельствуют, что отдельные обломки массой в несколько сотен килограммов находили на расстоянии 2-3 км, что противоречит расчетам по ТНТ эквиваленту. Это объясняется тем, что из-за пульсаций давления при взрыве жидких топлив отдельные обломки могут получить сравнительно большую начальную скорость и улететь на большие расстояния. Однако вероятность поражения подобными немногочисленными обломками мала, поэтому при выборе безопасного расстояния поражение осколками и обломками обычно не учитывают.

Сравнительный анализ воздействия каждого из трех основных факторов, характеризующих взрыв жидких топлив, показывает, что при выборе безопасного расстояния от места взрыва определяющим является допустимое давление во фронте ударной волны.